超薄绝缘体基外延硅MOS晶体管的阈值电压调节方法技术

超薄ＳＯＩＭＯＳ晶体管的阈值电压调节方法，包括以下步骤：制备ＳＯＩ衬底；ＳＯＩ顶层硅膜厚度减薄到约１０ｎｍ至５０ｎｍ；顶层硅膜上形成吸收层；和通过吸收层给顶层硅膜注入离子。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及集成电路中阈值电压的调节，更具体涉及SOI衬底上形成的CMOS的电压调节。
技术介绍
绝缘体基外延硅(SOI)器件中顶层硅膜的均匀性的可变化范围是±5nm。而该变化对厚度大于100nm的顶层硅膜而言较小。而对膜厚小于20nm的顶层硅膜而言该变化约为25％。用热氧化处理使顶层硅膜变薄时，膜厚可从15nm变成25nm，顶层硅膜的厚度均匀性中25％的变化会导致阈值调节困难。现有技术的全耗尽型SOI阈值电压调节技术要求SOI膜均匀掺杂，具有均匀分布的杂质浓度，它会引起阈值电压随顶层硅膜的厚度线性增大；或SOI中注入规定的离子以使顶层硅膜中的总杂质量恒定，但是，当顶层硅膜变薄时，对有各种厚度的顶层硅膜上总杂质浓度的控制更困难。没有一种方法能均匀调节SOI膜中的阈值电压。用热氧化处理减薄常规的SOI膜制成超薄SOI膜。SOI晶片上用热氧化处理除去的硅量极均匀。结果，原始SOI膜中任何不均匀性转变成超薄SOI膜。若原始SOI膜的厚度为100m±10nm，将膜减薄至20nm以制成晶片上的膜厚为20m±10nm的SOI膜，这使膜厚变化从10％增大至50％。因而严重影响制成的MOS晶体管的阈值电压。
技术实现思路
超薄SOIMOS晶体管的阈值电压调节方法包括制备SOI衬底；SOI顶层硅膜的厚度减薄到约10nm至50nm；顶层硅膜上形成吸收层；通过吸收层给顶层硅膜注入离子。本专利技术的目的是，提供一种减小或消除超薄SOIMOS晶体管的阈值电压的厚度依赖的方法。提供本专利技术的概述和专利技术的目的以便于快速理解本专利技术。通过以下结合附图对专利技术优选实施例的详细描述，将能更充分理解专利技术。附图说明图1是离子浓度与SOI器件中的深度之间的关系曲线图；图2是顶层硅膜中总电荷与膜厚的关系曲线图。具体实施例方式SOI晶体管的阈值电压VTH的表达式如下 F[1+1Cox(12CSUB+1CBOX+1CSI)]+QSICox[1-12Cst(12CSUB+1CBOX+1CSI)]]]>……………式(1)式中VFB是平坦带电压；QSUB是SOI晶片的埋入的氧化物的后界面处的电荷；QSI是SOI晶片的顶层硅膜中的总电荷；CBOX是埋入的氧化物电容；COX是栅氧化物电容。表面沟道形成的阈值表面电位2φF的表达式如下2φF=QSUB(12CSUB+1CBOX+1CSI)(12CSI)≈QSUB(1CBOX)+QSI(12CSI)]]>……………式(2)由于埋入的氧化物厚度1OOnm级，CBOX大大小于CSI，而且大大小于CSUB和COX。因此，阈值电压大致用下式表示VTH≈VFB+2φF(1+CBOXCOX)+QSICOX(1-CBOX2CSI)]]>……………式(3)由于CSI＞＞CBOX，所以阈值电压大致用下式表示VTH≈VFB+2φF(1+CBOXCOX)+QSICOX]]>……………式(4)费米电位φF随杂质浓度成对数增长。因此φF可以认为与SOI晶片中的杂质浓度变化无关，阈值电压的变化与SOI膜中的总电荷成正比变化。ΔVTH≈ΔQSICXO]]>……………式(5)如上式所示，费米(Fermi)电位和顶层硅膜中的总电荷控制晶体管的阈值电压。如果顶层硅膜中的杂质浓度保持恒定，那么，阈值电压随QS1增大，QS1随顶层硅膜厚度线性增大。如果顶层硅膜中的总电荷保持恒定，那么，顶层硅膜中的杂质浓度随膜厚减小而增大。结果，费米电位随顶层硅膜厚度的减小而增大。因此，晶体管的阈值电压随顶层硅膜厚度减小而增大。在其厚度约在50nm以下的超薄硅膜的情况下，不可能使顶层硅膜中的总电荷保持恒定。如这里所述的要求用其它方法适当控制阈值电压。本专利技术方法包括，通过用CVD法在SOI顶层硅膜上形成的这里叫做吸收层的氧化膜或氮化膜，给顶层硅膜注入杂质的离子注入步骤。由于顶层硅膜极薄，所以大量注入离子穿过顶层硅膜而沉淀在埋入的氧化物层中。造成极薄的顶层硅膜中注入的总离子量小于晶片的顶层硅层的较厚部分中注入的离子量。QSI在顶层硅膜的较厚部分中较大，而顶层硅膜的较薄部分的杂质浓度大于较厚的顶层硅膜中的杂质浓度。顶层硅膜的较薄部分的费米电位也大于顶层硅膜的较厚部分的费米电位。因此，晶体管的阈值电压与顶层硅膜厚度之间的依赖减小。图1中在10处SOI衬底上顶层硅膜的各个厚度最薄处为A、平均厚度处为B、最厚处为C。曲线12所示的第1离子注入步骤之后，顶层硅膜最厚部分的阈值电压会太低。可注入另外的离子，以提供适当的阈值电压。用曲线14表示的第2离子注入步骤的投射区至少等于顶层硅膜最厚部分的厚度，如图中曲线12所示。第2离子注入步骤，大部分注入的离子沉淀在顶层硅膜的厚的部分中，而只有只少量的离子进入顶层硅膜的较薄部分。第1注入步骤可包括磷离子注入，剂量约是1×1011cm-2至1×1013cm-2，能级为30kev至60kev，顶层硅膜中生成的杂质离子浓度是5×1010至5×1013离子/cm2。另一个第1注入步骤可包括硼离子注入，剂量约为1×1011cm-2至1×1013cm-2，能级为3kev至10kev，顶层硅膜中生成的离子浓度是1×1017至5×1018离子/cm3。第2注入步骤包括砷离子注入，离子剂量约为5×109cm-2至1×1012cm-2，能级为30kev至70kev，顶层硅膜中生成的离子浓度约是0至5×1011离子/cm2。另一第2注入步骤包括硼离子注入剂量约为5×109cm-2至1×1012cm-2，能级为5kev至15kev，顶层硅膜中生成的离子浓度约是1×109至2×1010离子/cm2。例如，规定顶层硅膜的厚度从15nm变至25nm，氧化物吸收层厚20nm，第1注入步骤用硼离子，剂量约为6×1012cm-2，能级约为6kev，顶层硅膜的薄部分中生成的离子浓度是5.6×1012离子/cm2；平均厚度部分中是6×1012离子/cm2，厚的部分中是6.2×1012离子/cm2。第2注入步骤可用硼离子，剂量约是3×1010cm-2，能级我为14kev，顶层硅膜的薄的部分中生成的离子浓度约是1.0×109离子/cm2，平均厚度部分中约是7×109离子/cm2，厚的部分中约是2×1010离子/cm2。图2是归一化电荷与距离的关系曲线图。图2画出了第1离子注入步骤中顶层硅膜中的总电荷与膜厚的函数曲线。垂直轴表示归一化总离子浓度，水平轴表示离表面的距离，以离子注入的投射标准偏差单位(dRp或ΔRp(nm))。曲线与水平轴的交叉点是投射区。投射区比氧化或氮化掩模层深的地方，用系列15和17表示正值的曲线与水平轴交叉点，投射区比掩模层窄的地方，用系列3至11表示负值的曲线与水平轴的交叉点。投射区与掩模层厚度相同的地方，用系列13表示0值的曲线和水平轴的交叉点。SOI顶层硅膜的上表面在SOI中0电荷(X-轴)处。例如，在dRp＝-1处系列3与X轴交叉。在dRp＝0处系列13与X轴交叉。Y轴是从X轴交叉点测到的以dRp表示的顶层硅膜厚度中的总电荷。表1列出顶层硅膜中归一化的电荷，用投射区和投射标准偏差表示。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超薄ＳＯＩＭＯＳ晶体管阈值电压调节方法，包括以下步骤： 制备ＳＯＩ衬底； ＳＯＩ顶层硅膜厚度减薄到１０ｎｍ至５０ｎｍ； 顶层硅膜上形成吸收层；和 通过吸收层给顶层硅膜注入离子。

【技术特征摘要】
US 2001-9-4 09/9459721.一种超薄SOIMOS晶体管阈值电压调节方法，包括以下步骤制备SOI衬底；SOI顶层硅膜厚度减薄到10nm至50nm；顶层硅膜上形成吸收层；和通过吸收层给顶层硅膜注入离子。2.根据权利要求1的方法，其中，所述的减薄是热氧化处理减薄。3.权利要求1的方法，其中，所述的形成吸收层包括形成从包括氧化硅和氮化硅材料组中得到的材料的层。4.权利要求1的方法，其中，所述注入包括磷离子的第1注入步骤，剂量是1×1011至1×1013cm-2，能级为30kev至60kev。5.根据权利要求4的方法，其中，所述第1注入步骤包括在顶层硅膜中形成的离子浓度为5×1010至5×1013离子/cm2。6.根据权利要求4的方法，其中，所述注入包括砷离子的第2注入步骤，剂量是5×109cm-2至1×1012/cm-2，能级是30kev至70kev。7.根据权利要求6的方法，其中，所述第2注入步骤包括在顶层硅膜中形成的离子浓度为0至5×1011离子/cm2。8.根据权利要求1的方法，其中，所述注入包括硼离子的第1注入步骤，剂量是1×1011至1×1013cm-2，能级为3kev至10kev。9.根据权利要求8的方法，其中，所述第1注入步骤包括在顶层硅膜中形成的离子浓度为1×1017至5×1018离子/cm2。10.根据权利要求8的方法，其中，所述注入包括硼离子的第2注入步骤，剂量是5×109至1×1012cm-2，能级为5kev至15kev。11.根据权利要求10的方法，其中，所述第2注入步骤包括在顶层硅膜中形成的浓度为1×109至2×1010离子/cm2。12.一种超薄SOIMOS晶体管的阈值电压调节方法，包括以下步骤制备SOI衬底；SOI顶层硅膜厚度减薄到10nm至50nm；顶层硅膜上形成吸收层，包括形成从包括氧化硅和氮化硅的材料组中得到的材料的层；和通过吸收层给顶层硅膜注入离子，包括第1注入步骤和随后的第2注入步骤。13.根据权利要求12的方法，其中，所述的减薄包括用热氧化处理减薄。14.根据权利要求12的方法，其中，所述第1注入步骤包括注入磷离子，剂量是1×1011至1×1013cm-2，能级为30ke...

【专利技术属性】
技术研发人员：许勝籐，
申请(专利权)人：夏普公司，
类型：发明
国别省市：JP[日本]